đại học quốc gia hà nội

trờng đại khoa học Tự Nhiên
-------------- * * * * * --------------

Nguyễn Quốc Trinh
Nghiên cứu chế độ động lực v
môi trờng vùng biển đông nam bộ luận văn thạc sĩ khoa học Hà nội - 2007
đại học quốc gia hà nội

trờng đại khoa học Tự Nhiên
-------------- * * * * * --------------

Nguyễn Quốc Trinh

Nghiên cứu chế độ động lực v


3. Nội dung chính của luận văn
...................................................................... - 1 -

4. Phơng pháp nghiên cứu
............................................................................ - 1 -

5. Phạm vi nghiên cứu
.................................................................................... - 2 -

6.
ý
nghĩa khoa học và thực tiễn
.................................................................... - 2 -

Chơng 1 - Đặc điểm điều kiện tự nhiên vùng biển Đông Nam Bộ
.......... - 3 -

1.1. Đặc điểm chung
...................................................................................... - 3 -

1.2. Đặc điểm hình thái địa hình
.................................................................... - 3 -

1.3. Đặc điểm khí hậu
.................................................................................... - 4 -

1.3.1. Chế độ khí tợng
.......................................................................... - 4 -


................................................... - 13 -

2.3.2. Mô hình số cho dòng chảy gần bờ
............................................. - 14 -

2.3.3. Mô hình số cho tính tràn dầu trong vùng cửa sông và ven bờ
.. - 15 -

2.3.4 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
.......................................... - 16 -

2.3.5. Sơ đồ sai phân và lời giải số trị
................................................. - 16 -

2.3.6. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 3D
............................................ - 17 -

Chơng 3 - Kết quả thu thập dữ liệu và nghiên cứu chế độ
động lực và môi trờng vùng biển Đông Nam bộ
. - 19 -

3.1. Cơ sở dữ liệu
.......................................................................................... - 19 -

3.1.1. Địa hình
..................................................................................... - 19 -

3.1.2. Khí tợng
................................................................................... - 20 -



Bảng 2.1a. Hệ số và đối số của một số phân triều chính ......................................... - 10 -

Bảng 2.1b. Hệ số và đối số của một số phân triều chính (tiếp) ............................... - 10 -

Bảng 2.2. Phân loại tính chất triều .......................................................................... - 13 -

Bảng 3. 1 Thông tin dữ liệu khí tợng tại các trạm cố định .................................... - 21 -

Bảng 3.2 Thông tin dữ liệu khi tợng quan trắc ngoài khơi bằng obs_ship ............ - 21 -

Bảng 3.3. Thông tin dữ liệu hải văn tại các trạm cố định ........................................ - 22 -

Bảng 3.4. Thông tin dữ liệu mực nớc trạm nghiệm triều ....................................... - 23 -

Bảng 3.5. Thông tin các chuỗi số liệu dòng chảy .................................................... - 24 -

Bảng 3.6. Đặc trng gió tại các trạm theo hớng trong năm ................................... - 26 -

Bảng 3.8. áp suất (mb) không khí mặt biển ........................................................... - 29 -

Bảng 3.9. Nhiệt độ (
0
C) không khí .......................................................................... - 32 -

Bảng 3.10. Số lần và tần suất sóng theo hớng theo số liệu trạm Phú Quý (1986-
2005) ....................................................................................................... - 33 -

Bảng 3.11. Độ cao sóng trung bình (m) và độ cao sóng cực đại (m) theo hớng
theo số liệu trạm Phú Quý (1986-2005) ................................................. - 35 -


Hình 2.2. Sơ đồ tính toán bằng mô hình số ............................................................. - 17 -

Hình 2.3. Lới sai phân trong không gian x, y và z ................................................ - 18 -

Hình 2.4. Sơ đồ thời gian tính toán .......................................................................... - 18 -

Hình 3.1. Bản đồ phân bố số liệu độ sâu khu vực nghiên cứu................................. - 20 -

Hình 3.2. Hoa gió tháng 8 các trạm trong vùng nghiên cứu ................................... - 27 -

Hình 3.3. Hoa gió tháng 1 các trạm trong vùng nghiên cứu ................................... - 28 -

Hình 3.4. Dao động khí áp (mb) mực biển trung bình tại các trạm ........................ - 30 -

Hình 3.5. Dao động nhiệt độ (
0
C) không khí trung bình tại các trạm ..................... - 31 -

Hình 3.6. Hoa sóng tại các trạm trong vùng nghiên cứu ......................................... - 34 -

Hình 3.7. Hoa sóng tháng 8 tại các trạm trong vùng nghiên cứu ............................ - 34 -

Hình 3.8. Hoa sóng tháng 1 tại các trạm trong vùng nghiên cứu ............................ - 36 -

Hình 3.9. Dao dộng mực nớc (cm) cực đại, trung bình và cực tiểu tháng trong
năm trạm Vũng Tàu ................................................................................ - 38 -

Hình 3.10. Biến thiên mực nớc (cm) trung bình năm trạm Vũng Tàu .................. - 38 -

- 1 -
Mở đầu

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, kinh tế biển đã và đang đợc coi trọng mà vùng
biển Đông Nam bộ là một trong những vùng trọng điểm của kinh tế biển (thuỷ sản,
giao thông hàng hải, dầu khí). Vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu chế độ chi tiết hơn
động lực và môi trờng vùng biển Đông Nam bộ có thể góp phần phục vụ công tác
quản lý và còn hỗ trợ cho các hoạt động phối hợp giữa các ngành, địa phơng ven
biển đợc thuận lợi.
Với những lý do trên, sự lựa chọn đề tài "
Nghiên cứu chế độ động lực và môi
trờng vùng biển Đông Nam bộ
" làm hớng nghiên cứu của tác giả trong luận văn
này.
2. Mục tiêu của luận văn
Thu thập, tổng hợp dữ liệu khí tợng, thuỷ văn, hải văn và môi trờng;
Phân tích đánh giá chế độ khí tợng, thuỷ văn và hải văn;
áp dụng mô hình số trị nhằm giải thích quá trình loang truyền dầu và hiện
tợng dâng - rút nớc do gió vùng ven bờ của vùng biển Đông Nam bộ.
3. Nội dung chính của luận văn
- Thu thập số liệu địa hình, khí tợng (gió, áp và nhiệt độ không khí), thuỷ văn
biển (sóng, mực nớc, dòng chảy và nhiệt - muối) và môi trờng biển (tràn
dầu) trong khu vực nghiên cứu.
- Phân tích và đánh giá chế độ khí tợng thuỷ văn biển.
- áp dụng mô hình để mô phỏng tràn dầu và hiện tợng dâng rút nớc vào
khu vực nghiên cứu.
- Rút ra kết luận và kiến nghị

tợng dâng rút nớc vùng cửa sông ven biển Đông Nam bộ. - 3 -
Chơng 1 - Đặc điểm điều kiện tự nhiên vùng biển Đông Nam Bộ

1.1. Đặc điểm chung
Vùng biển Đông Nam bộ (xem Hình 1.1) là một vùng biển ven bờ năm trong
biển Đông đợc giới hạn vĩ độ từ 7
0
N đến 11
0
N và kinh độ từ 105
0
E đến 109
0
E,
có diện tích khoảng 150 km
2
. Vùng biển đợc bao bọc phía tây là bờ biển Việt Nam
chạy qua 9 tỉnh, thành phố và có hai đảo lớn là Phú Quý và Côn Đảo. Vùng biển ven
bờ chịu ảnh hởng của hai hệ thống sông chảy ra là sông Cửu Long và sông Đồng
Nai. Vùng biển Đông Nam bộ có vị trí chiến lợc quan trọng đối với Việt Nam cả về
kinh tế lẫn quốc phòng, an ninh. Vùng biển này là nơi chứa tài nguyên thiên nhiên,
đặc biệt là hải sản và dầu khí. Khu vực này hoạt động khai thác dầu khí và giao
thông hàng hải lớn nhất của nớc ta và gần tuyến giao thông hàng hải thế giới đi qua
biển Đông, là cửa ngõ giao lu lớn và lâu đời của Việt Nam ra thế giới.
1.2. Đặc điểm hình thái địa hình
Vùng biển Đông Nam bộ phía bờ biển kéo dài từ tỉnh Bình Thuận đến mũi Cà
Mau, có các kiểu địa hình đờng bờ biển phức tạp và đa dạng do nhiều nhân tố tác

thái biển. - 5 -
1.3.2. Chế độ thuỷ văn
Từ Bình Thuận đến Cà Mau khá phức tạp [6], [11], [19], [24], [25], [26], [27].
Mạng lới cửa sông lớn nhng không đồng đều dọc ven biển. Đồng bằng sông Cửu
Long có mạng lới sông lớn, nhỏ và kênh rạch nhiều với tổng chiều dài trên 5000km
mà những đoạn sông về thợng lu rộng từ khoảng 60m đến trên 300m, về phía hạ
lu rộng đến 2km và ở cửa sông Hậu rộng tới 18km. Bên cạnh các lòng sông chính
còn có vô số các kênh rạch và các kênh rộng khoảng 30-100m sâu 2-4m, các kênh
nhỏ rộng dới 20m và sâu 1,5m-2m. Hàng năm, sông Cửu Long nhận đợc xấp xỉ
500 tỷ m
3
nớc của sông Mêkông đa về. Mùa lũ (5tháng), lợng nớc chiếm
khoảng 3/4 tổng lợng nớc cả năm và mùa cạn (7 tháng) chiếm lợng nớc còn lại.
Lu lợng nớc mùa lũ trung bình tháng là 24000m
3
/s, lớn nhất là 30000m
3
/s. Về
mùa cạn, lu lợng nớc trung bình tháng là 5920m
3
/s và nhỏ nhất qua Campuchia
là 1700m
3
/s, nhỏ nhất tuyệt đối là 1250m
3
/s (ngày 12/IV/1960). Khu vực ven biển
Ninh Thuận - Bình Thuận thì module dòng chảy năm khoảng 5 - 10 l/s.km

Sóng biển khu vực nghiên cứu cũng tơng tự nh các vùng biển khác của Việt
Nam, chế độ sóng theo mùa [11], [29], [49], [50], [52].
Dòng chảy khu vực nghiên cứu khá phức tạp, theo mùa. Ngoài ra vùng ven bờ
còn tác động mạnh của tơng tác sông - biển. Do đó, việc nghiên cứu về dòng chảy
cũng đợc tiến hành từ lâu: P.Chevey (1934), K.Wyrtki (1961), Trơng Tiến Huy
(1968), Hoàng Xuân Nhuận (1979), Trơng Đình Hiển (1981), Lê Phớc Trình
(1981), Nguyễn Ngọc Thuỵ (1984), Nguyến Thế Hào (2003), .v.v. Dòng chảy ngoài
khơi chịu tác động của chế độ gió mùa, nên hớng thịnh hành là theo hớng gió.
Khi dòng chảy vào gần bờ, chịu ảnh hởng của địa hình đáy nên có hớng song
song với bờ. Khi ở vùng cửa hay trong sông thì chịu ảnh hởng lòng dẫn sông nên
hớng theo lòng dẫn [23], [24], [28], [32], [37], [38], [52], [53], [54]. Phân bố nhiệt
độ khu vực nghiên cứu cũng khá phức tạp.
Nhiệt độ nớc cũng biến đổi theo các tháng trong năm nh nhiệt độ không khí
nhng có biên độ dao động nhỏ hơn nhiều, ổn định hơn. Ngoài ra sự phân bố nhiệt
độ theo thẳng đứng khá phức tạp. Ngoài vùng biển khơi thi thể hiện nêm nhiệt khá
rõ nét, nhng khi vào ven bờ và đặc biệt vào cửa sông thì tính chất xáo trộn của lớp
mạnh lên. Sự thể hiện nêm nhiệt không đợc rõ nét [12], [13], [25], [32], [33], [49],
[50].
Độ mặn là chỉ tiêu quan trọng để phân biệt giữa nớc biển và nớc lục địa
(ngọt), giữa nớc biển sâu và nớc biển nông. Độ mặn nớc biển ở vùng ven bờ
cũng biến đổi theo chế độ khí hậu, cũng dao động trong năm và mang tính chất khá
phức tạp. Profile thẳng đứng của độ mặt cũng thể hiện nêm mặn nhng không rõ nét
nh nhiệt độ. Nhng khi đến vùng ảnh hởng của nớc lục địa chảy ra thì thể hiện
lỡi nớc ngọt trên mặt và lỡi nớc mặn ở các tầng phía dới. Kết hợp với quá trình
hoạt động của thuỷ triều. độ mặn nớc biển có khả năng xâm nhập sâu vào trong đất
liền và làm nhiễm mặn [12], [13], [25], [32], [33], [49], [50].
1.4. Đặc điểm môi trờng biển
là phản ánh tự nhiên và ảnh hởng qua lại mạnh mẽ với các yếu tố tự nhiên
khác nh không khí, đất đai duyên hải, các sông và đặc biệt đến hệ sinh thái và con
ngời. Gần đây, các sự cố môi trờng biển xảy ra liên tiếp làm ảnh hởng đến hoạt

=
=
=
Ni
i
Xi
N
X
1
1
(2.1.1)
trong đó N là tổng số số liệu; X
i
là số liệu thứ i (i=1,N);
X
là giá trị trung bình
2.1.2. Phơng pháp hồi quy tuyến tính
Phơng pháp hồi qui tuyến tính cho phép khảo sát đánh giá sự biến động của các
yếu tố, xác định tốc độ biến thiên trung bình hàng năm và xu thế biến đổi chung của các
yếu tố cần quan tâm [1], [7], [19], [31].
Chúng ta muốn mô tả biến động của một biến phụ thuộc nh một hàm ảnh
hởng của một nhóm các biến độc lập
M
xxxx ..., , , ,
321
. Giả sử rằng ảnh hởng của
mỗi trong số
M
biến độc lập
j

(
Mj ...,,1=
);

M
aaaa ..., , , ,
210
những hệ số hồi quy tuyến - 9 -
tính;

j
x
trị số trung bình của biến
j









=

=
N

trị số của các hệ số hồi quy
M
aaaa ..., , , ,
210
sao cho khôi phục đợc sự biến thiên
của biến phụ thuộc
y
với các sai số
e
nhỏ nhất.
2.2. Phơng pháp phân tích điều hòa (mực nớc và dòng chảy)
Do tác động của nhiều yếu tố đồng thời nên mực nớc và dòng chảy phân bố
không đồng đều hoặc tính chất rất phức tạp. Trong hải dơng phân chia những biến
động của mực nớc và dòng chảy theo tần số khác nhau tơng ứng với các quy mô
nhiều năm, mùa, tháng, ngày và các sóng nớc nông [8], [15], [16], [17], [18], [43],
[46].
Biểu thức của độ cao mực nớc có thể biểu diễn thành:

( )
[ ]

+++=
D
i
i
iiit
guVtqHfAz
00
Gr. cos
(2.2.1)


];).(Grsin[
];)+.(Gr[cos
0
0
iiii
iiii
uVtqfb
uVtqfa
++=
+=
(2.2.2)

iiiiii
gHYgHX sin ;cos ==
(2.2.3)
- 10 -
Bảng 2.1a. Hệ số và đối số của một số phân triều chính
Ký hiệu
phân
triều
Tên phân triều
Hệ số gồm phần chung bằng
a
c
a
E







0,4543
2
N

Mặt Trăng đờng elliptic lớn
2
cos
4
7
42
I
e

0,0880
2
S

Mặt Trời chính
2
cos
4
5
2
1

Ie








0,1886
1
Q

Mặt Trăng đờng elliptic lớn
2
cossin
4
7
2
I
Ie

0,0365
1
P

Mặt Trời chính
2
cossin
4


sht 222 +


22 +

28,98410
2
N

psht ++ 322


22 +

28,43973
2
S

t2

30,00000
1
K

ht 22 +



2

2
K

D
90++
ht





15,04107
Chú thích 1:
2
1
]2cossinsin)()(2sin)(sin)[(
2222
1
8
3
4
1
22
8
3
4
1
4222
1
8

4
1
222
8
3
4
1
1

IGeeGeIeK ++++++=
Các ký hiệu trong bảng:
2
1








=
c
c
M
S
G

I
góc nghiêng của quỹ đạo Mặt Trăng so với mặt phẳng xích đạo,


kinh độ giao điểm
quỹ đạo Mặt Trăng với mặt phẳng xích đạo,


kinh độ tiết điểm lên của quỹ đạo Mặt
Trăng,
h
kinh độ trung bình của Mặt Trời;
s
kinh độ trung bình của Mặt Trăng;
p
kinh
độ trung bình cận điểm quỹ đạo Mặt Trăng.
Các phơng trình độ cao mực nớc (2.2.1) ứng với thời gian
t
sẽ có dạng sau:


=
++=
r
i
itiitit
YbXaAz
1
0

bình phơng nhỏ nhất. Phơng pháp bình phơng nhỏ nhất đảm bảo tìm các ẩn
i
XA ,
0
và
i
Y
sao cho vế phải của các phơng trình (2.2.4) phù hợp tốt nhất với các
giá trị mực nớc
t
z
thực đo, tức làm cho tổng các bình phơng của hiệu mực nớc
quan trắc và mực nớc mô tả bằng phơng trình (2.2.4) trong tất cả các quan trắc trở
thành cực tiểu


=






++
=
n
t
t
r
i

cùng đợc quy ớc ký hiệu là
W
): - 12 -

0= NAX
(2.2.7)
hay dới dạng ma trận:
n

][
2
M
a

][
2
M
b ][
2
S
a
...
][
W
b
0
A

2
za
M

][
2
M
b

][
22
MM
ba

][
22
MM
bb ][
22
SM
ab
...
][
2
WM
bb
.
2
M
Y

][ zb
W

trong đó ký hiệu
[]
dùng để chỉ phép lấy tổng theo thời gian từ
1
t
đến
n
t
.
Việc giải hệ các phơng trình chuẩn tắc đợc thực hiện bằng một trong các sơ
đồ của phơng pháp tính, thí dụ sơ đồ đảo ma trận

1
=
NAX
(2.2.8)
hoặc sơ đồ lặp Seidel.
Khi biến đổi phơng trình độ cao mực nớc (2.2.1) thành dạng (2.2.4) các đại
lợng
f
và
)(
0
uV
+
không bị đa vào trong các ẩn số nh đã làm trong phơng pháp
Darwin và Doodson, mà đợc đa vào trong các hệ số

K
; nhật triều Mặt Trăng elliptic
1
O
và bán nhật triều chính Mặt
Trăng
2
M
, để phân loại thuỷ triều. Trên đại dơng có thể có bốn loại thủy triều cơ
bản ứng với những giá trị của tỷ số trên nh sau [17], [18]:
- 13 -
Bảng 2.2. Phân loại tính chất triều
Loại thủy triều: Giới hạn của tỷ số:

Bán nhật triều đều 0
ữ
0,5

Bán nhật triều không đều 0,5
ữ
2,0

Nhật triều không đều 2,0
ữ
4,0

Nhật triều đều

x












=


+


+


22
cos
2
1
cos
2
(2.3.1)
trong đó:

đợc tính theo các công thức sau:

() ( )


sin,cos,
ggyx
CCs
k
vv =


=
G
(2.3.2)














=

k
là số sóng.
Phơng trình (2.3.1) đợc sai phân hoá trên hệ toạ độ vuông góc. Phổ năng
lợng sóng chia thành hai phần tần số và phần hớng có năng lợng bằng nhau. Các
đặc trng của mỗi thành phần sóng nh tần số sóng, tốc độ sóng, vận tốc nhóm
sóng, số sóng v.v... đợc tính toán với một sóng đại diện cho từng dải năng lợng.
2.3.2. Mô hình số cho dòng chảy gần bờ
Mô hình mô phỏng dòng chảy ven bờ đợc xây dựng dựa trên việc giải hệ
phơng trình chuyển động 2 chiều lấy tích phân theo độ sâu của dòng chảy (phơng
trình Sain - Vernant). Trong mô hình này, có tính đến ảnh hởng của gió, sóng và
thủy triều tới dòng chảy vùng ven bờ. Trong trờng hợp này, có hệ phơng trình vi
phân cho dòng chảy gần bờ nh sau [2], [10], [37], [41], [56], [58]:
Phơng trình liên tục:

0=


+


+


ty
q
x
q
y
x












+


+


+










+



xt
q
z
x
th
x
th
xy
xx
y
yx
xx



(2.3.5) - 15 -

0
2
-
2
--
3/1
222
2
=+
+



++


+










+










+






(2.3.6)

trong đó
yx
qq
,
tơng ứng là lu lợng dòng chảy trên 1 đơn vị chiều rộng (m
2
.s
-1
),
tính từ đáy lên đến mặt và vuông góc với x, y;

- dao động mặt nớc so với mực
chuẩn (mực 0) (m);
t
- thời gian (s);
d
- độ sâu (m); g - là gia tốc trọng trờng
(m.s
-1
);
n
- độ nhám thuỷ lực;
ww
VU ,
- thành phần vận tốc gió theo trục x và y

C
s
dsessvb
s
y
s
xssss
s
,
+












+








và
s
v
là thành phần vận tốc theo trục x
và y (m.s
-1
);
x
K
và
y
K
là hệ số khuếch tán dầu theo các trục x và y;

là hệ số thể
hiện xác suất để dầu hòa tan trong nớc nổi lên mặt nớc.
b

là tốc độ nổi của dầu
trong lớp nớc lơ lửng;

là hệ số mô tả tốc độ dầu tại bề mặt đợc phân tán hoà tan
trong cột nớc;
d
S
và
e
S
là tốc độ phân huỷ và bốc hơi trên một đơn vị diện tích của
bề mặt dầu loang;

+












+










=


+



lợng dầu thoát ra khỏi tàu.
2.3.5. Sơ đồ sai phân và lời giải số trị
Các phơng trình vi phân cho dòng chảy và nồng độ dầu đợc rời rạc hoá trên
một lới hình chữ nhật [1], [57]. Để thuận tiện cho việc tính toán, một lới tính so le
với mực nớc, nồng độ dầu đợc tính tại trung tâm trong khi các thành phần của véc
tơ vận tốc dòng chảy đợc cho tại các biên của ô lới. Cũng giống nh trong mô
hình tính toán lan truyền sóng gần bờ, bớc lới tính đợc dùng cho cả hai hớng.
Để đơn giản và thuận tiện cho việc lập chơng trình, một sơ đồ sai phân hiện đã
đợc áp dụng. Với sơ đồ sai phân này, bớc thời gian đợc chọn theo điều kiện ổn
định Curent - Fredric Lewy [57]. Sơ đồ tính toán cho mô hình dòng chảy và tràn
dầu đợc trình bày trên hình 2.2.

- 17 -

#Z

#n
Đọc dữ liệu: độ sâu, gió, sóng, mực nớc giờ, lợng dầu và tốc độ tràn dầu,
thời gian tính toán, .v.v..
Xây dựng điều kiện ban đầu để tính toán
Tính toán trờng sóng, trờng dòng chảy và di chuyển của lớp dầu
Bắt đầu
In kết quả tính toán: trờng sóng, trờng dòng chảy và nồng độ dầu
t
ại các điểm lới

Kết Thúc

Hình 2.2. Sơ đồ tính toán bằng mô hình số

2.3.6. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 3D
Mô hình MIKE 3D là mô hình số trị 3 chiều và ứng dụng cho biển,vùng ven
biển, cửa sông và hồ. Trong mô hình này, module thuỷ động lực là module cơ bản
để tính toán dòng chảy 3 chiều với các thông số đầu vào là biến độ sâu, mật độ nớc - 18 -
và các lực tác động nh gió, thuỷ triều, dòng chảy và các điều kiện thuỷ văn khác.
Mô hình MIKE 3 Flow đợc sử dụng nghiên cứu và áp dụng ở nhiều nớc trên thế
giới.

Các phơng trình cơ bản thể hiện nh sau [61]:

Phơng trình liên tục:

SS
x
u
P
c
j
j

i
i
T
j
i
i
jij
j
ji
i
+




















là tốc độ truyền âm trong chất lỏng;
i
u
là
thành phần vận tốc theo hớng x
i
(m.s
-1
);
ij

là thành phần lực Coriolis;
P
là áp suất
chất lỏng;
i
g
là gia tốc trọng trờng;
T

là tham số nhớt rối;

là tham số Kronecker;
k
thành phần rối động lực;
SS
là thành phần nguồn của nhiệt độ và độ muối.
Module thuỷ động lực của mô hình MIKE 3D đợc xây dựng trên sơ đồ tính ẩn
(ADI - Alternating Direction Implicit) cho phơng trình bảo toàn vật chất và bảo
toàn động lợng trong không gian.